JPH02225305A - 窒化ケイ素インゴツトの製造方法及び窒化ケイ素粉末 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔九莱上の利用分野〕 杢免明は、高温構造材料として、がスタービン部材、ノ
ズル、軸受等に利用される舅化ケイ素粉末、とりわけ亮
龜高強度用に用いら１しる窒化クイ系インゴツトの製造
方法及び窒化ケイ素粉末に関する。

〔従来の技術〕

従来、窒化ケイ素粉末の製法としては、（■）金属ケイ
素直接窒化法、（２）シリカ還元窒化法、（３）ハロゲ
ン化ケイ素法が知られている。これらの方法でつくられ
る粉末は、製造履歴が異なるためか、金属不純物資や醒
木ｉｔ或いは粒径、比表面積が同程度であっても、粉末
の焼結性や焼結後の焼結体の特性例えは曲げ強度に大き
な違いかある。

一般的には、（１）の方法で製造された粉末は易焼結性
であるが高温曲げ゛強度か低い、（２）の方法の粉末は
離快結性であるがｉＴｈ温曲げ強度が高い、（３１の方
法の粉末は中間的な性能を示すといわれている。

酸素量九ついては、（１）の方法の粉末は粉砕１桂を経
るため通常全酸素量が２亘Ｊ！Ｌ′％を超える場合が多
く少なくても１．５ｊｋ量％はめる。（１）の方法で不
純物除去のために酸処理等の工程合通すと全酸累葉は低
減するがそれでも１．Ｃ１皿量％禾誦Ｖこすることは難
しい。一方、（２）の方法の粉末でも、原料としてシリ
カ粉末ケ用いるためンこシリカの残留かあり、全酸素倉
は２Ｎ菫％を超えるのか＋＃通である。

以上の粉末が現在入手可能なものである。当然のことな
がら、粉末の焼結性及び焼結体特性には粉体ｒＩ１．素
量の影響があるのは勿論であるが、その他に比表面積、
結晶性、粒子形状、粒度（微粉）等様々の粉体特性がか
らみあっており、前記各製法の粉末特性が粉体特性にど
のように関係しているかは殆んどわかっていないのが現
状である。

特公昭６１−４３３１１号公報には低ｒＩＩ木と高温強
度との結ひつぎが記載されているが、この技術は粉末状
態で高温熱処理するものであるので経済的ではない。更
に、特願昭６３−２７７３６０号明細曹には、低酸素、
比表面積、平均粒子径及び微粉の量と高温強度との関係
が詳細に記載されているが、このような粉末を、現在、
金属ケイ素粉末の直接窒化法で入手しようとするならは
例えは分級といった特別なプロセスを経らなけれはなら
ない。

〔発明が解決しようとする課題〕 本発明１者らは、％願陥６３−２７７３６０号明細書に
記載され要望化ケイ素粉末を鮭揖的且つ直接窒化法で得
ることを目的に窒化ケイ素インゴットの形態を種々検討
した結果、通常の窒化ケイ素インゴットを高温で熱処理
してその形態を粒状化してやればそれが可能となること
を見い出し、本発明を完成した。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、金属ケイ素粉末の直接窒化法によ
って得られた窒化ケイ素のインボラトラ、非酸化性雰囲
気下、１，５００〜１，８００℃の温度で熱処理するこ
とを特徴とする窒化ケイ素インゴットの製造方法、及び
該窒化ケイ素インゴツｌ−に微粉砕してなること全特徴
とする窒化ケイ素粉末である。

以下、さらに詳しく本発明を説明すると、本発明におい
て、金属ケイ素粉末の直接窒化法によって得られｆＣ窒
化ケイ素のインゴットに限定した理由は、他の物性は別
として粒状化については現在まで直接窒化法では得られ
た例かなく、一般には特ｍ昭６３−１９８９８７号明細
誉に示ちれているようなウィスカー形態か、又は金属ケ
イ素粉末が焼結後に窒素が拡散して窒化ケイ素となった
多結晶形態の何れかであり、いずれにしても粒状化され
たインゴットが得られていないからである。

窒化ケイ素インコ９ットの熱処理温度は、１．５００〜
１．８００℃好ましくは１，６００〜１．７５０℃であ
る。この熱処理の大きなポイントは通常の窒化したイン
ゴット中の窒化ケイ素と微量の８１０２の反応にある。

すなわち、下記（１１式とく２）式に示す反応を利用し
た窒化ケイ素インゴットの形態改質にあり、通常の窒化
条件における窒化ケイ素合成に際し、生成５ｉｎ２を制
御してインゴット中に存在させ高温で熱処理するもので
ある。

α−８Ｌ３Ｎ４　＋　８１０２→２Ｓｉ２ＯＮ２　　　
　（１１２ＳｉｚＯＮ２→β−８ｉ３Ｎ、　＋　５ｉＯ
Ｔ　　　　１２＋従って、１．５００℃未満であると、
反応か十分い。熱処理時間については、温度にもよる力
ｒ１０〜１５時間程度であれは十分である。また、雰囲
気については、酸化のみに注意すればよいので非酸化性
雰囲気例えば窒素、アルゴン、水素、アンモニア等の雰
囲気であれはよい。

上記した反応にはＳ　ｉ０２が不可欠であるか、通常の
工業炉で窒化する場合、真空炉を用いない限りＰｏ２は
低いか確実に存在する。すなわち、窒化の際に、量的に
は少ないが常に８１０２は生成する。

従って、金属ケイ素粉末の直接窒化法により得られた窒
化ケイ素インゴットでは必ず高温で上記（１１式、（２
）式の反応は起こり粒状化はなされる。粒状化の程度は
熱処理前の窒化ケイ素インゴットの形態に左右される。

つまり、細形を主体としｆｃ形態よりも特ｌｌＡ１１８
６３−１９８９８７号明細畳のようにワイスカー形態の
インゴットの方が粒状化ちれやすいので好ましい。多結
晶体形態のインゴットではより高温で処理することが必
安でおる。

熱処理の方法については、−度、別な炉で窒化したイン
ボラトラ用いても艮いし、同じ炉で完全窒化しｆＣ後高
温まで弁温し熱処理し又もよい。なお、（１）式、（２
１式からもわかるように熱処理前の窒化ケイ素インゴッ
トのα分率は高いことが好ましい。

以上説明した通常の窒化ケイ素インゴット（例えば前記
説明したウィスカー形態インゴット）及うに粒状化され
た窒化ケイ素は粉砕される際に微粉が生じ難くなるので
低酸素化にもつながり、本発明の目的である低酸素且つ
微粉のない窒化ケイ素粉末を容易に製造することができ
る。

ここで、本発明によって得られた粒状化窒化ケイ素イン
ゴットについてさらに訃しく説明すると、本発明では、
第２図に示すような径の枇いウィスカー又は針状晶全物
理的に抗折しながら粉砕するのではなく、第１図のよう
な粒状晶會はぐ丁形で粉砕が進むので、窒化ケイ素イン
ゴットの粉砕に伴う微粉の発生が少く、その結果、雪化
クイ系の酸化が抑制され、低＃ｌ素粉木となる。すなわ
ち、ハロゲン化ケイ素法で得らｎた微粉のない等軸の粉
体に近い窒化ケイ素粉末となる。定量的には、通常の粗
砕機と中砕機を用いて窒化ケイ素インゴットを粗砕・中
砕物に粉砕したとき、その粗・中砕物特に粒子径０．２
ｎ下の比表面積が２〜５ｍ２／ｙとなるような窒化ケイ
素インゴットであり且つ酸素含有量か０．４％以下とな
るようなものでめる。

なお、窒化ケイ素インゴットの粉砕性′ｆｔ評価する丸
めの上記粉砕機としては、例えは化学工学便覧昭和５３
年１０月２５日丸善株式会社の第１２７９〜１２８３頁
に記載したものが使用される。すなわち、ショークラッ
シャー、ジャイレトリークラッシャー等の粗砕機、ロー
ルクラッシャ、ローラーミル、エツジランナー勢の中砕
機である。

以上のようにして得られた小さな粒状晶′ｊｋ有する本
発明の窒化ケイ素インゴットは、常法により例えは、粗
砕・中砕後、ボールミル、振動ミル、ジェットミル、ア
トライターミル、バールミル等で湿式又は乾式粉砕し、
窒化ケイ素粉末とする。

粒度は、平均粒子径０．３〜０．８μｍ１比表面＆６〜
１４　ｍ２／９が望ましく、α分率は８０％以上が好ま
しい。

以上詳しく説明したように、本発明は直接窒化法で得ら
れる窒化ケイ素粉末の欠点、すなわち、酸素、微粉が多
いことを改良するために、粉砕前の窒化ケイ素インゴッ
トを高温で熱処理するものである。

〔実施例〕

以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的に本発明を
説明する。

実施例１〜８、比較例１〜４ 特願昭６３−１９８９８７号明細書の実施例に基づき、
９９．９８！ｉｔ％の金−ケイ累粉末１００Ｍ、　を部
にα分率９０％で比表面積２０　ｍ”／、９の窒化ケイ
素粉末を第１表に示す割合で添加し、さらに金属ケイ素
粉末と窒化ケイ素粉末の合酊１００重量部に比表面積２
００　ｍ２／＆の二酸化ケイ素粉末を第１表に示す割合
で配合した。この混合粉末？用い、窒化供試体のカサ密
度、窒化条汗全第１衣に示す条件として加熱窒化した。

実施例１〜６については冷却せずにそのまま第２表に示
す熱処理条件で、実施例７〜８と比較例３〜４について
は一度冷却後窒化ケイ素インゴットを取り出し別の炉を
用い、第２表に示す熱処理条件で高温加熱し窒化ケイ素
インゴットを製造した。なお比較例１と２については高
温での熱処理は行っていない。

得られた窒化ケイ素インゴットをＳＫＭ観察したところ
、実施例１〜９については全て粒状化されていたが、比
較例６はウィスカーのままであった。

その１例として実施例１と比較例１のＳＥＭ写真を夫々
第１図及び第２図に示す。

得られた窒化ケイ素インゴットは粗砕・中砕機（ショー
クラッシャー及びトップグラインダー）で０．２０下に
粉砕し、更に、容積１１ボールミルに０．２Ｂ下の粉砕
品５０ｇ、４φＦｅボール０．５ｊ１水１００ｇを入れ
’ｌ　［３Ｈｒ湿式粉砕後、塩酸と７ツ酸で酸処理し、
濾過・乾燥・解砕を行い窒化ケイ素粉末を製造した。得
られた窒化ケイ素粉末の特性金弟２表に示す。

次に、第２表の窒化ケイ素粉末に、平均粒子径が１．３
μｍのＹ２Ｏ３，１，４μｍのＡｔ　２０３．１．２μ
ｍのＭｇＯ及び１．２μ出のＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３をそれ
ぞれ第３表に示す割合（内削）で添加し、ｌ＋１！−ト
＋Ｊクロロエタンを加えて４時間ボールミルで湿式混合
した。乾燥後、１００　ｋ＜９／ｃ＋ｎ”の成形圧で６
×１１０Ｘ６０形状に金型成形したのち２７００ｋｉ９
／ｃ７７＋２の成形圧でＣＩＰ成形した。得られた成形
体をカーボンルツボにセットし、　”２ガス雰囲気中温
度１７００°Ｃ，４時間で常圧焼結して焼結体を得た。

得られ次焼結体は研削後、相対＠度と常温と高温の６点
曲げ強度を測定した。それらの結果′ｆｒ、第６表に示
す。

なお、第２表と第６表に示した測定値は次の方法によっ
た。

（ｌＩ酸素（ｆｉ１１％）　　ＨＬＥＣＯ社製ＴＣ−１
３６Ｍ　Ｏ／Ｎ同時分析計による。

＋２１比表面積（ｍ２／９）：湯浅アイオニクス社製の
カンターンープＪｒ　ＢＥＴ　１点法に よる。

（３）平均粒子径（μｍ）　　：相場製作所社製ＣＡＰ
Ａ−７００による。

（４）α分率（％）：理学を機社製のガイガーフラｙ　
クスＲＡＤ　−ＩＩ　Ｂ型のＸｌ＃ｊ回折による。

（５，金鵬不純物（ｐｐｍ）　：　ＪＩＳ−Ｇ−１３２
２に準拠した。

（Ｐａ　＃　ＡＸ　＊　Ｃａ） （６１相対密度（％）：アルキメデス法による。

（７）６点曲は強度（ＭＰａ　）　：島津製作所社製オ
ートダラフＡＧ−２０００Ａ型による。

酸素であり、Ｍｇ０−ＡＪ２０３−Ｙ２Ｏ２糸の焼結助
剤を用いて常圧焼結しｆｃ場合、１２００℃における高
温曲げ強度か７　Ｑ　Ｑ　ＭＰａ以上可能となる。これ
は焼結体のβ−柱状晶の発生とその成長に関係する粉体
特性を制御した結果によるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ実施例１及び比較例１１で
得られた窒化ケイ素インゴットの粒子構造を示す倍率３
，５００倍のＳＥＭ写真である。 特許出願人　電気化学工粂株式会社 〔発明の効果〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属ケイ素粉末の直接窒化法によつて得られた窒化
   ケイ素のインゴットを、非酸化性雰囲気下、１，５００
   〜１，８００℃の温度で熱処理することを特徴とする窒
   化ケイ素インゴツトの製造方法。 ２、請求項１記載の窒化ケイ素インゴットを微粉砕して
   なることを特徴とする窒化ケイ素粉末。